Урок "Законы электричества служат людям"
план-конспект урока по физике (8 класс) по теме

8 класс

Тема урока: «ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА СЛУЖАТ ЛЮДЯМ»

Основные идеи урока

Век пара давно сменился веком электричества, которое приобрело огромное значение в современной технике. Электричество называют «великим посредником» между природными источниками энергии и производственными процессами. Электрическая энергия обладает способностью особенно легко и гибко возникать из других видов энергии и, в свою очередь, превращаться в них. Создано много технических устройств для этих превращений: генераторы тока, электродвигатели, электрические нагреватели, лампы, электромагнитные подъемные краны и т.д. Все эти установки стали частью нашей жизни. И сейчас уже невозможно представить жизни без верного помощника человека – электричества.

Кто стоит у истоков науки об электричестве? Говорить, что физики, – не совсем точно. Физики и биологи, физики и врачи. Сам термин «электричество» ввел в науку придворный врач английской королевы Гильберт. Знаменитые ученые Гальвани, Юнг, Эрстед, Гельмгольц были физиками, физиологами и врачами.

Жан Поль Марат – врач и физик по профессии, революционер по призванию – в годы предшествующие Великой французской революции лечил электричеством параличи. В 1802 г. Альдини, племянник Гальвани, его верный ученик и последователь, сделал первую попытку вернуть к жизни умершего с помощью электрического тока. Его ожидала неудача, причиной которой было опоздание. В 1922 г. хирург Бостон применил электрический ток и вернул к жизни пациента, находящегося в состоянии клинической смерти.

Так долгие годы, даже века, физики и биологи шли рука об руку в великом деле применения электричества на благо человека.

Цель урока: расширить представления учащихся о практическом значении электрического тока; развить интерес учащихся к физике и биологии за счет уже имеющихся у них интересов к другому учебному предмету.

Форма проведения урока – деловая игра «Проблемная конференция по вопросам использования электричества в науке, технике и медицине».

Имитационная модель игры. В нашем городе проходит проблемная конференция различных специалистов. Они знакомятся с достижениями в данной отрасли знаний (по данной теме). Разрабатываются новые направления в использовании имеющихся достижений. Устанавливаются связи между разработчиками, поставщиками и потребителями. Осуществляются поиски новых связей. Конференцию организует головное предприятие отрасли.

Для проведения урока класс разбивается на группы по интересам. Каждая группа объединяет представителей определенной профессии, опирающейся в своей работе на основные законы и выводы, предлагаемые разработчиками проблемы.

Члены группы готовят выступления по теме в их наглядную иллюстрацию. Кроме того, представители каждой группы различными способами представляют свою профессию: врачи одеты в белые халаты, художники демонстрируют репродукции картин, музыканты исполняют музыкальные произведения и т. д.

Участие в конференции принимают следующие «группы специалистов»: энергетики, экологи, биологи, работники медицины, инженеры, метеорологи, музыканты.

Урок представляет собой совокупность чередующихся сообщений учащихся, сопровождающихся демонстрацией опытов и наглядных пособий.

1. Выступление энергетиков

Для получения электрической энергии используются различные источники – физические, химические, механические. Они должны обладать наибольшим КПД. Мы предлагаем рассмотреть нетрадиционные источника энергии – магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) и топливный элемент (ТЭ).

ТЭ относится к химическим источникам тока и представляет собой гальванический элемент, в котором химическая реакция окисления – восстановление топлива (например, водород) и окислителя (например, кислород) преобразует энергию топлива непосредственно в электрическую энергию. В настоящее время многие исследователи наиболее перспективными считают водородно-кислородные топливные элементы с жидким щелочным электролитом.

КПД ТЭ теоретически близко к 100%, а практически колеблется от 40 до 70%. ТЭ работают бесшумно, не дают вредных выбросов. Их внедрение тормозится прежде всего из-за высокой стоимости составляющих материалов (чистого водорода, драгоценных металлов для электродных катализаторов – платины, серебра, меди).

Схема топливного элемента представлена на рис.1. На аноде проис-

К

+

–

А

Электролит

Продукты

окисления

Азот

Топливо

Воздух

(кислород)

Рис.1

ходит окисление топлива. Освобождающиеся при этом электроны по внешней цепи перелетают на катод. Здесь происхо-                         дит восстановление кислорода О2 + 4е–  2О– –. Электролит служит ионным проводником тока между электродами. В качестве топлива используется чаще всего генераторный газ, который, как и кислород, непрерывно подается в сосуд. Материал электродов в процессе работы элемента не расходуется.

Топливные элементы позволяют создать удобные в эксплуатации электромобили, электротракторы, электропоезда и т. д.

В МГД-генераторе механическая энергия движущегося горячего газа преобразовывается в электрическую энергию.

Далее энергетики и экологи подробно рассматривают принципиальные схемы новых и перспективных источников электроэнергии.

Эффект электромагнитной индукции используется и в обычных источниках тока – электромашинных генераторах, где поперек магнитного поля движутся жесткие проводники, размещенные на вращающемся роторе. В отличие от них в МГД-генераторе жесткие проводники заменены проводящей жидкостью или газом. Какие преимущества при этом возникают? Ротор электромашинного генератора вращает паровая турбина или другой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия превращается в механическую. МГД-генератор позволяет непосредственно превращать тепловую энергию в электричество без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания.

Почему же до сих пор используют обычные генераторы? Проблема заключается в создании необходимого «рабочего тела» для МГД-генераторов. Жидкие металлы неудобны в обращении, да и не так просто заставить их двигаться по каналу с большими скоростями. Поэтому МГД-генераторы на жидких металлах не получили широкого распространения. Чаще применяются МГД-насосы для жидких металлов и других проводящих жидкостей, устройства, где электрический ток вызывает движение проводящей жидкости, а не наоборот, как в генераторе. Проводимость же газов ничтожно мала. Она возрастает лишь тогда, когда газ, нагреваясь, начинает ионизоваться и превращаться в плазму. Но для получения достаточной электропроводности даже при использовании самых легко ионизируемых веществ – паров щелочных металлов – необходимы температуры в 2000–3000°С. Такие высокие температуры достигаются в струе ракетного двигателя, и на его основе, действительно, получаются хорошие МГД-генераторы, компактные и очень мощные устройства. Однако токосъемные электроды таких генераторов при столь высоких температурах могут работать лишь очень короткое время – секунды или в лучшем случае десятки секунд.

С использованием ракетных двигателей уже созданы МГД-генера-             торы, рассчитанные на очень большие мощности и малую длительность работы. Они находят применение, например, для геофизических исследований.

Подробнее об МГД-генераторах см. в книге «Энциклопедический словарь юного физика».

2. Выступление биологов

Самим фактом, что в живых организмах происходят разнообразные электрические процессы, сегодня никого не удивишь. Менее известно, что электрические явления играют важную роль в работе мозга, мышц, желудка, почек, желез и т. д. Жизнь мельчайшей бактерии или самого большого из зверей – голубого кита неразрывно связана с разнообразными электрическими явлениями.

Почему? Откуда берется электричество в живых клетках и как оно используется живыми организмами? На эти вопросы и отвечают «специалисты-биологи».

Рассказ 1.  Электрические свойства живых клеток

Все нормальные функции организма человека обеспечиваются электрическим взаимодействием. Работа мышц, в том числе дыхательных и сердца, контролируется электрическими токами. Информация, полученная разными органами чувств, передается в мозг с помощью электрических сигналов. Однако источники и проводники токов в живых организмах не похожи на те, что используются в технике. Попробуем разобраться, что происходит в живых организмах с «электрической» точки зрения.

В ответ на действие электрического тока на нервы и мышцы в них возникает возбуждение – возникает электрический сигнал, который затем распространяется дальше по волокну. Как и почему это происходит?

Основную роль в возникновении «живого» электричества играют мембраны (оболочки) клеток. Они представляют собой жидкие пленки толщиной 7–15 нм, состоящие из жироподобных веществ – липидов (рис.15).

белки

слой липидов

Рис.15

        На поверхности мембраны клетки существует двойной слой зарядов, который создает напряжение между внутриклеточным и внеклеточным пространством. С точки зрения электропроводности мембрана ведет себя как параллельно соединенные резистор и конденсатор.

Рассказ 2.  Электрические свойства тканей организма

Электропроводность – один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением.

Тело человека представляет по своим электрофизическим свойствам соленой раствор, являющийся раствором электролита.

Поскольку внутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, внутренние ткани тела человека обладают довольно низким сопротивлением. В целом же сравнительно высокое сопротивление тела человека электрическому току определяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса). Проводимость кожи в значительной степени зависит от ее состояния и осуществляется через потовые и сальные железы. Внутри тела человека ток разветвляется и проходит преимущественно вдоль протоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатических узлов и т. д.). Значения сопротивлений разных тканей тела человека приведены в таблице.

                                                                                     Таблица 1

Электрические характеристики тканей тела человека

Общее сопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже рук составляет 104–106 Ом. Влажная кожа может уменьшить сопротивление тела до                              103 Ом и ниже.

Сопротивление человеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит от состояния здоровья человека. Определенно известно, что наличие алкоголя в крови заметно уменьшает сопротивление человеческого тела.

Встречаются люди с уникальными электрическими характеристиками. Например, электрик из болгарского города Габрово Г. Иванов обладает электрическим сопротивлением в 8 раз более высоким, чем у обычных людей. Он может работать с электрическими цепями, находящимися под напряжением 380 В, без защитных средств и не отключая питания. (Для обычного человека напряжение 380 В смертельно.)

Рассказ 3.  Поражение электрическим током

Поражение электрическим током опасно для здоровья и даже жизни человека. Тяжесть поражения зависит от силы тока, продолжительности его действия и от того, по какому пути протекает ток в теле человека. Особенно чувствительны к действию тока мозг и сердце, так как возможны нарушения их деятельности.

Большинство людей реагируют на силу тока 10–3 А.

Упомянем об одной возможности использовать свойство слюны человека проводить электрический ток. Изготовленные из разных металлов коронки зубов человека могут сыграть роль электродов гальванического элемента, слюна – роль электролита. Такой необычный источник тока может питать микроприемник радиоволн, вмонтированный в дупло зуба. Преимущество такого устройства – оно всегда будет с вами.

Сила тока в несколько миллиампер вызывает болевые ощущения, но редко бывает опасна для здоровья.

При силе тока больше 10 мА происходит резкое сокращение мышц, и человек может оказаться не в состоянии освободиться от источника тока (например, неисправного прибора или провода): В этом случае возможна остановка дыхания; сделанное своевременно искусственное дыхание может вернуть человека к жизни.

Если ток свыше 70 мА проходит в области сердца, сердечная мышца начинает беспорядочно сокращаться, нарушается нормальное кровообращение. Это явление называется фибрилляцией сердца; вовремя не прекращенная фибрилляция приводит к смерти. Начавшуюся фибрилляцию очень трудно остановить. Однако иногда значительно бóльшая сила тока (порядка 1 А) к смертельному исходу не приводит. (По-видимому, при поражении сильным током происходит полная остановка сердца; после прекращения действия тока нормальная деятельность сердца возобновляется.)

При еще большей силе тока (100 мА и более) происходит паралич органов дыхания и наступает мгновенная смерть. Нарушение электропроводимости центральной нервной системы, управляющей основными, жизненно необходимыми функциями человека, происходящее при этом, объясняется следующим образом. При очень низкой энергии связи между электроном и ядром в сложных органических молекулах ток порядка                            106 А, проходящий через тело человека при электротравме, выделяет энергию, на несколько порядков превышающую ту, что необходима для разрушения связей между молекулами.

Все рассмотренные случаи протекания тока через тело человека осуществлялись по пути рука – рука или нога – рука. Это очень важно, потому что другой путь для тока может привести к более страшным исходам при более низких токах и напряжениях.

Одной из опасных разновидностей электротравм является поражение так называемым шаговым напряжением, которое возникает в зоне оборвавшегося провода линий электропередач высокого напряжения, и может действовать на расстояниях сотен метров от упавшего провода. Шаговое напряжение относительно Земли составляет 50 кВ и более.

Чтобы предохраниться от поражения электрическим током, надо знать, какую опасность он представляет, а также выполнять несложные правила безопасности.

3. Выступают «работники медицины»

Они подробно рассказывают о лечебном действии электротерапии, которое оказывает электрическая энергия, подводимая в виде электрического тока, магнитного или электрического полей и их разнообразного сочетания. Эти действия вызывают усиление кровообращения, обмена веществ. В докладе «медиков» могут быть представлены все виды электротерапии: электрофорез, дарсонвализация, индуктотермия, франклинизация, а также различные способы электродиагностики.

Рассмотрим подробнее каждый из видов электротерапии.

Электрофорез. Чаще всего применяется лекарственный электрофорез. Это воздействие на организм постоянным током и вводимыми при его помощи через кожу или слизистые оболочки частицами лекарственных веществ. Лекарственное вещество наносят на фильтрованную бумагу, которой оборачивают электрод со стороны, обращенной к телу больного. Во время процедуры к патологическому участку прикладывается электрод, обернутый пропитанным лекарственным веществом материалом.

Электрофорез обеспечивает активное действие лекарств в течение длительного времени. При этом способе лечения электрическим током вызывается перераспределение ионов в тканях человеческого организма и изменение биохимических процессов.

Электрофорезом лечат: сердечно-сосудистые заболевания (вводятся ионы кальция), гипертонию (бром, кофеин), послеоперационные рубцы, заболевания желчных путей, гинекологические заболевания.

Дарсонвализация (использование импульсных токов высоких частот).

Различают местную и общую дарсонвализацию. Лечебное действие оказывает ток, проходящий через все тело (при общей дарсонвализации), или электрический разряд между кожей больного и вакуум-электродом (при местной).

При местной дарсонвализации электрический ток подводят к телу посредством стеклянных конденсаторных вакуум-электродов. Электродом водят по больному участку вперед и назад, либо совершают круговые движения. При общей дарсонвализации больной помещается в большой соленоид (цилиндр, поверхность которого выполнена в виде решетки, проводящей электрический ток). По закону электромагнитной индукции на теле больного наводится высокочастотный ток.

При лечении индуктотермией используется переменное магнитное поле. В тканях наводятся интенсивные вихревые токи, чем вызывается значительное появление тепла в тканях, создаются условия для обратного развития хронических воспалительных процессов.

При использовании франклинизации изменяется соотношение зарядов тканей всего организма, что стимулирует обмен веществ и функционирование нервной системы. В данном случае используется постоянное электрическое поле высокого напряжения.

УВЧ (ультравысокочастотная терапия). Метод лечения, заключающийся в воздействии на организм электрическим путем ультравысоких частот (40–60 МГц), которое подводится к пациенту посредством конденсаторных пластин (электродов).

При лечении УВЧ пластины прикладываются параллельно телу больного. Между пластиной-электродом и телом должен быть зазор около 6 см. При малых зазорах плотность поля большая в поверхностных тканях по сравнению с глубинными. В зависимости от цели лечения зазор можно увеличивать и уменьшать.

При помощи УВЧ лечат: острые воспалительные заболевания – гнойные, незаживающие раны, язвы, отморожения, заболевания нервной системы.

4. «Инженеры» знакомят участников конференции с электрофизическими и электрохимическими методами обработки материалов, которые позволяют выполнять операции, часто недоступные для механических способов обработки. В зависимости от используемого физического или химического процесса новые методы обработки металлов и сплавов условно делят на четыре группы: электроэрозионные методы, электрохимические и химические, лучевые и ультразвуковые.

(Подробнее см. Ланина И.Я. Не уроком единым. – М.: Просвещение, 1991. – С.108-109.)

5. Выступающие на конференции «метеорологи» разъясняют, что они входят в состав группы ученых метеослужбы, занимающихся электрическими явлениями в атмосфере. Демонстрируя опыты, рисунки, схемы, они рассказывают о наиболее распространенных примерах таких явлений и задачах по их изучению. Это защита зданий и самолетов от грозовых разрядов и накопления статического электричества, анализ загрязнения атмосферы по определенным электрическим показателям; учет электрических зарядов облаков и капель при прогнозе гроз, града, обледенения самолетов; изучение молнии и полярного сияния.

(Подробнее см. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988. – Главы 5–7.)

6. Электронная музыка

Представители «музыкантов-исполнителей» обращают внимание присутствующих на тот факт, что необходимость использования достижений новой техники при разработке музыкальных инструментов еще в прошлом веке привлекла внимание изобретателей к электрическим способам получения звуков. Они рассказывают о телармониуме, термонвоксе, виолене, органе и других современных музыкальных электроинструментах.

Конференция заканчивается ответами «специалистов» на вопросы присутствующих.